כרייה היוריסטית של גנוטיפים היררכיים וגושים של גנום עזר באוכלוסיות חיידקים

השימוש הגובר בריצוף גנום שלם של חיידקים (WGS) כבסיס למעקב שגרתי ולחקירה אפידמיולוגית על ידי מעבדות לבריאות הציבור וסוכנויות רגולטוריות שיפר באופן משמעותי את חקירות^{ההתפרצות} של פתוגנים 1,2,3,4. כתוצאה מכך, כמויות גדולות של נתוני WGS שלא זוהו זמינות כעת לציבור וניתן להשתמש בהן כדי לחקור היבטים של ביולוגיה של אוכלוסייה של מינים פתוגניים בקנה מידה חסר תקדים, כולל מחקרים המבוססים על: מבני אוכלוסייה, תדרי גנוטיפ ותדירויות גנים/אללים על פני מאגרים מרובים, אזורים גיאוגרפיים וסוגי סביבות⁵ . החקירות האפידמיולוגיות הנפוצות ביותר בהנחיית WGS מבוססות על ניתוחים המשתמשים רק בתוכן הליבה-גנומי המשותף, כאשר התוכן המשותף (המשומר) לבדו משמש לסיווג גנוטיפי (למשל, קריאת וריאנטים), וגרסאות אלה הופכות לבסיס לניתוח אפידמיולוגי ולמעקב אחר 1,2,6,7 . בדרך כלל, גנוטיפ מבוסס ליבה-גנום חיידקי מתבצע עם גישות הקלדת רצף רב-לוקוס (MLST) באמצעות שבעה עד כמה אלפי לוקוסים ^8,9,10. אסטרטגיות מבוססות MLST אלה כוללות מיפוי של רצפים גנומיים שהורכבו מראש או הורכבו על גבי מסדי נתונים שנאספו במיוחד, ובכך משלבות מידע אלילי ליחידות גנוטיפיות הניתנות לשחזור לצורך ניתוח אפידמיולוגי ואקולוגי^11,12. לדוגמה, סיווג מבוסס MLST זה יכול להפיק מידע גנוטיפי בשתי רמות של רזולוציה: סוגי רצף ברמה נמוכה יותר (STs) או ST שושלות (7 loci), וגרסאות גנום ליבה MLST (cgMLST) ברמה גבוהה יותר (~ 300-3,000 loci)¹⁰.

הסיווג הגנוטיפי מבוסס MLST הוא נייד מבחינה חישובית וניתן לשחזור רב בין מעבדות, מה שהופך אותו למקובל כגישת תת-הקלדה מדויקת מתחת לרמה של מיני החיידקים^{ברמה 13,14}. עם זאת, אוכלוסיות חיידקים בנויות עם דרגות שונות ספציפיות למין של קלונליות (כלומר, הומוגניות גנוטיפית), דפוסים מורכבים של קרבה היררכית בין גנוטיפים 15,16,17, ומגוון רחב של וריאציות בהתפלגות התוכן הגנומי האביזרי^18,19 . לפיכך, גישה הוליסטית יותר חורגת מעבר לסיווגים בדידים לגנוטיפים של MLST ומשלבת את היחסים ההיררכיים של גנוטיפים בקני מידה שונים של רזולוציה, יחד עם מיפוי של תוכן גנומי עזר לסיווגים גנוטיפיים, מה שמאפשר הסקה מבוססת אוכלוסייה 18,20,21 . יתר על כן, ניתוחים יכולים גם להתמקד בדפוסים משותפים של תורשה של לוקוסים גנומיים של אביזרים בין אפילו גנוטיפים הקשורים רחוק^21,22. באופן כללי, הגישה המשולבת מאפשרת חקירה אגנוסטית של הקשרים בין מבנה האוכלוסייה לבין התפלגות הרכבים גנומיים ספציפיים (למשל, לוקוסים) בין גרדיאנטים גיאו-מרחביים או סביבתיים. גישה כזו יכולה להניב מידע בסיסי ומעשי כאחד על המאפיינים האקולוגיים של אוכלוסיות ספציפיות שעשויות, בתורן, להסביר את הטרופיזם ודפוסי הפיזור שלהן על פני מאגרים, כגון חיות מזון או בני אדם.

גישה היררכית מבוססת מערכות זו, המוכוונת אוכלוסייה, דורשת כמויות גדולות של נתוני WGS כדי לספק עוצמה סטטיסטית מספקת כדי לחזות חתימות גנומיות הניתנות לחיזוי. כתוצאה מכך, הגישה דורשת פלטפורמה חישובית המסוגלת לעבד אלפים רבים של גנומים חיידקיים בבת אחת. לאחרונה, ProkEvo פותחה והיא פלטפורמת ביואינפורמטיקה זמינה באופן חופשי, אוטומטית, ניידת ומדרגית המאפשרת ניתוחים אינטגרטיביים של אוכלוסיית חיידקים מבוססי היררכיה, כולל מיפוי פאן-גנומי²⁰. ProkEvo מאפשרת לחקור מערכי נתונים חיידקיים בקנה מידה בינוני עד גדול תוך מתן מסגרת ליצירת השערות אפידמיולוגיות ואקולוגיות הניתנות לבדיקה ולהסקה ותחזיות פנוטיפיות שניתן להתאים אישית על ידי המשתמש. עבודה זו משלימה את הצינור הזה במתן מדריך כיצד להשתמש בקבצי פלט שמקורם ב- ProkEvo כקלט לניתוח ופרשנות של סיווגי אוכלוסייה היררכיים וכרייה גנומית אביזרים. מקרה הבוחן שהוצג כאן השתמש באוכלוסיית שושלת סלמונלה אנטריקה I זואונוטית סרובר S. ניופורט כדוגמה ונועדה במיוחד לספק קווים מנחים מעשיים למיקרוביולוגים, אקולוגים ואפידמיולוגים כיצד: 1) להשתמש בגישה אוטומטית התלויה בפילוגנזה כדי למפות גנוטיפים היררכיים; 2) להעריך את התפלגות התדירות של הגנוטיפים כמייצג להערכת כושר אקולוגי; 3) לקבוע דרגות ספציפיות לשושלת של קלונליות באמצעות גישות סטטיסטיות בלתי תלויות; ו-4) למפות מוקדי AMR מבדילי שושלת כדוגמה לאופן שבו ניתן לכרות תוכן גנומי של אביזרים בהקשר של מבנה האוכלוסייה. באופן רחב יותר, גישה אנליטית זו מספקת מסגרת הניתנת להכללה לביצוע ניתוח גנומי מבוסס אוכלוסייה בקנה מידה שניתן להשתמש בו כדי להסיק דפוסים אבולוציוניים ואקולוגיים ללא קשר למין הממוקד.